ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THANH QUANG

ỨNG DỤNG ABAQUS PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM CÓ XÉT ĐẾN
TÍNH CHẤT PHI TUYẾN CỦA VẬT LIỆU LỚP MÓNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THANH QUANG

ỨNG DỤNG ABAQUS PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM CÓ XÉT ĐẾN
TÍNH CHẤT PHI TUYẾN CỦA VẬT LIỆU LỚP MÓNG

Chuyên ngành
Mã số

: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN HỒNG HẢI

Đà Nẵng - Năm 2018


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian 2 năm học tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng,
được sự giúp đỡ của Nhà trường và sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô, học viên đã tích
lũy được những kiến thức chuyên sâu hơn trong lĩnh vực đang công tác, phục vụ cho
công việc hiện tại và tương lai. Học viên xin chân thành cảm ơn Nhà trường và các Thầy
Cô trong khoa Xây dựng Cầu Đường đã tạo điều kiện cho học viên cũng như các bạn
học viên khác có điều kiện học tập và nghiên cứu thật tốt. Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông với đề tài: “Ứng dụng Abaqus
phân tích ứng suất - biến dạng trong kết cấu áo đường mềm có xét đến tính chất phi
tuyến của vật liệu lớp móng” được hoàn thành dưới sự giúp đỡ của Khoa Xây dựng Cầu
Đường cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình.
Học viên xin chân thành cảm ơn Giảng viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Hồng
Hải đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tận tình cho học viên trong quá trình thực
hiện luận văn.
Với thời gian và trình độ còn hạn chế, học viên không thể tránh khỏi những thiếu
sót trong quá trình làm luận văn, mong quý thầy cô thông cảm và hướng dẫn thêm.
Cuối cùng, học viên xin kính chúc Nhà trường, Khoa Xây dựng Cầu Đường gặt
hái được nhiều thành công. Kính chúc thầy cô và các bạn sức khỏe, hạnh phúc và thành
đạt.
Học viên xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 12 tháng 12 năm 2018

Tác giả luận văn

Lê Thanh Quang


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 3
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài....................................................................... 3
6. Dự kiến nội dung của luận văn................................................................................. 3
CHƯƠNG 1. ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC
DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ........................................................................ 4
1.1. YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO
ĐƯỜNG ...................................................................................................................... 4
1.1.1. Yêu cầu chung ................................................................................................... 4
1.1.2. Cấu tạo kết cấu áo đường ................................................................................... 4
1.2. ĐẶC ĐIỂM TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY LÊN MẶT ĐƯỜNG
VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA
NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG .................................................................... 5
1.2.1. Tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường mềm ........................................... 5
1.2.1.1. Áp lực tính toán .............................................................................................. 6
1.2.1.2. Tải trọng trục tính toán .................................................................................... 6
1.2.2. Ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến cơ chế làm việc của nền đất và vật liệu áo
đường .......................................................................................................................... 6
1.2.3. Hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm và nguyên lý tính toán cường độ áo
đường mềm theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 ................................................................ 7
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM .................................... 9

1.3.1. Phương pháp thực nghiệm (Empirical Method) .................................................. 9
1.3.2. Phương pháp dựa trên phá hoại cắt giới hạn (Limiting Shear Failure Method) . 10
1.3.3. Phương pháp độ võng giới hạn (Limiting Deflection Method) ......................... 10
1.3.4. Phương pháp hồi quy dựa trên đặc trưng cường độ mặt đường hoặc thí nghiệm
trên các tuyến đường thực tế ...................................................................................... 10
1.3.5. Phương pháp cơ học - thực nghiệm (Mechanistic–Empirical Method) ............. 11
1.4. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU LỚP MÓNG TRONG KẾT CẤU ÁO
ĐƯỜNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ................................... 12
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết ................................ 12
1.4.2. Khái niệm cơ học thiết kế móng kết cấu áo đường ........................................... 12
1.4.2.1. Ứng xử đàn hồi ............................................................................................. 12
1.4.2.2. Mô hình mô đun đàn hồi của vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết [12]13
a) Mô hình áp lực giới hạn ......................................................................................... 14
b) Mô hình K-θ .......................................................................................................... 14


c) Mô hình Shackel’s ................................................................................................. 16
d) Mô hình mô đun Bulk-Shear.................................................................................. 16
e) Mô hình Uzan ........................................................................................................ 17
f) Mô hình Lade và Nelson ........................................................................................ 17
g) Mô hình ứng suất cắt Universal Octahedral ........................................................... 18
h) Mô hình Itani ......................................................................................................... 18
i) Mô hình Crockford và cộng sự (1990) .................................................................... 18
j) Mô hình UT-Austin ................................................................................................ 19
l) Chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ quốc gia (National Cooperation
Highway Research Program - NCHRP 1-37A) .......................................................... 19
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................... 20
CHƯƠNG 2. PHẦN MỀM ABAQUS VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ
HỌC KẾT CẤU TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA
TẢI TRỌNG XE CHẠY ........................................................................................... 21

2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG TRONG KẾT
CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC ................................... 21
2.1.1. Phương pháp phân tích dựa trên mô hình đàn hồi lớp ....................................... 21
2.1.1.1. Mô hình Boussinesq (1958)........................................................................... 21
2.1.1.2. Mô hình 1 lớp ............................................................................................... 21
2.1.1.3. Lý thuyết tính toán cho hệ nhiều lớp ............................................................. 23
2.1.1.4. Các chương trình tính toán hỗ trợ phân tích ứng xử cơ học mặt đường dựa trên
lý thuyết hệ đàn hồi tuyến tính nhiều lớp ................................................................... 23
2.2.1.5. Chương trình tính toán mặt đường Alizé - LCPC .......................................... 24
2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn .......................................................................... 26
2.1.2.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 26
2.1.2.2. Một số kết quả nghiên cứu ứng xử cơ học mặt đường của các tác giả trên thế
giới sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................... 26
2.2. PHẦN MỀM ABAQUS VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC
MẶT ĐƯỜNG MỀM ................................................................................................ 27
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Abaqus ........................................................................... 27
2.2.2. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................. 28
2.2.3. Các loại phần tử sử dụng trong tính toán của phần mềm Abaqus ...................... 28
2.2.4. Hệ đơn vị sử dụng trong Abaqus ...................................................................... 29
2.2.5. Phân tích ứng xử trong kết cấu mặt đường tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi
dưới tác dụng của tải trọng trục tính toán bằng phần mềm Abaqus............................. 29
2.2.5.1. Kết cấu áo đường và thông số tính toán ......................................................... 29
2.2.5.2. Mô hình hóa bài toán..................................................................................... 30
2.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
TUYẾN CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS .. 31


2.3.1. Ứng suất theo phương ngang σ11 ...................................................................... 31
2.3.2. Ứng suất theo phương đứng σ22........................................................................ 33
2.3.3. Biến dạng theo phương ngang ɛ11 ..................................................................... 39

2.3.4. Biến dạng thẳng đứng ɛ22 ................................................................................. 42
2.3.6. Độ võng mặt đường w22 tại tâm trục bánh xe ................................................... 46
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.................................................................................... 48
CHƯƠNG 3. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM
CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY CÓ XÉT ĐẾN TÍNH CHẤT PHI
TUYẾN CỦA VẬT LIỆU LỚP MÓNG .................................................................... 49
3.1. KHÁI NIỆM VỀ TÍNH CHẤT PHI TUYẾN CỦA VẬT LIỆU .......................... 49
3.1.1. Mô hình phi tuyến tính với sự phụ thuộc vào trạng thái ứng suất...................... 49
3.1.2 Kỹ thuật phân tích phi tuyến ............................................................................. 50
3.1.3. Chương trình con Umat trong phần mềm Abaqus ............................................ 52
3.2. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH PHÂN TÍCH VÀ TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN ................. 53
3.2.1. Kết cấu áo đường và số liệu tính toán ............................................................... 53
3.3.2. Kết quả phân tích bằng phần mềm Abaqus cho 2 trường hợp lớp móng tuyến
tính và phi tuyến ........................................................................................................ 56
3.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU MẶT
ĐƯỜNG DỰ ÁN CAO TỐC ĐÀ NẴNG QUẢNG NGÃI TRONG TRƯỜNG HỢP
CÓ XÉT ĐẾN TÍNH CHẤT PHI TUYẾN CỦA VẬT LIỆU LỚP MÓNG................ 60
3.3.1. Thông số tính toán của vật liệu lớp móng ......................................................... 60
3.3.2. Kết quả phân tích ............................................................................................. 60
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................... 69
1. KẾT LUẬN ........................................................................................................... 69
2. KIẾN NGHỊ .......................................................................................................... 70
3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO................................................................... 70


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Lê Thanh Quang


ỨNG DỤNG ABAQUS PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG
KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM CÓ XÉT ĐẾN TÍNH CHẤT PHI TUYẾN CỦA
VẬT LIỆU LỚP MÓNG
Học viên: Lê Thanh Quang Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số: 85.80.205 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt
Kết cấu áo đường ô tô gồm nhiều lớp vật liệu có tính chất khác nhau, trong đó lớp móng
phổ biến là các vật liệu đất, đá thiên nhiên có hoặc không có sử dụng chất liên kết, có cường độ
và độ ổn định cường độ thay đổi theo chế độ thuỷ nhiệt và đặc trưng tác dụng của tải trọng xe
chạy. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06 giả thuyết các lớp vật liệu áo đường
là đồng nhất, đẳng hướng, nền đất được xem là bán không gian đàn hồi tuyến tính. Điều này
không hoàn toàn phù hợp với thực tế, đặc biệt đối với lớp móng bằng vật liệu đất, đá thiên nhiên
không sử dụng chất liên kết. Luận văn đã sử dụng phần mềm Abaqus phân tích trạng thái ứng
suất - biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi. Kết quả
phân tích được kiểm chứng với kết quả tính toán trên phần mềm Alizé. Luận văn đã sử dụng
mô hình Uzan được lập trình trong chương trình con mô hình vật liệu Umat do người dùng định
nghĩa của Abaqus để xét đến tính chất phi tuyến của vật liệu lớp móng. Kết quả cho thấy, tính
chất phi tuyến của vật liệu lớp móng có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử trong các lớp kết cấu
mặt đường mềm, đặc biệt là biến dạng ở đáy của lớp mặt bê tông nhựa, biến dạng thẳng đứng
tại đỉnh lớp móng, nền đất (subgrade) và độ võng của kết cấu áo đường.
Từ khóa - mặt đường mềm; phi tuyến tính; Abaqus; bê tông nhựa; lớp móng.
USING ABAQUS FOR STRESS-STRAIN ANALYSIS OF FLEXIBLE
PAVEMENT CONSIDERING OF NON-LINEARITY IN UNBOUND BASE LAYER

Abstract

The various layers of flexible pavement structures have different characteristics.
Unbound/bound granular material are typically used in the base layer, the strength and stable
strength depend on hydrothermal mode, wheel loads and number of load applications. The
flexible pavement design Standard 22TCN 211-06 assumes that layers of pavement material
are homogeneous and isotropic, the ground is an elastic half-space. This is not completely
consistent with reality, especially with unbound granular material. Dissertation has research,
used software calculation of soft pavement design Abaqus for stress-strain analysis of flexible
pavement Da Nang-Quang Ngai hightway. The results are compared to the results of Alizé
software. To properly characterize the resilient response of unbound aggregate, the Uzan type
unbound aggregate model (Uzan, 1985) was programmed in the User defined material model
subroutine in Abaqus. The results show that the nonlinear base has a considerable influence on
the pavement response; especially, tensile strain at the bottom of the Asphalt concrete (AC),
vertical strain on the top base, subgrade and vertical displacement distributions at the centerline
of loading.
Key words - flexible pavement; nonlinear; Abaqus, asphalt concrete (AC); base layer.


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BTN
CPĐD
GCXM
LCPC
FEM
UMAT
PTHH

Bê tông nhựa
Cấp phối đá dăm
Gia cố xi măng
Viện nghiên cứu cầu đường Paris

Phương pháp phần tử hữu hạn
Chương trình con
Phần tử hữu hạn


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Các thông số mô hình K-θ điển hình cho các loại vật liệu cấp phối
khác nhau (Rada và Witczak, 1981)

15

2.1

Hệ đơn vị sử dụng trong Abaqus

29

2.2

Đặc trưng tính toán của vật liệu theo 22TCN 211-06 [1]


30

2.3

Ứng suất theo phương ngang σ11 (tải trọng trục P=100KN, D=33cm)

34

2.4

Ứng suất theo phương ngang σ11 (tải trọng trục P=120KN, D=36cm)

35

2.5

Ứng suất theo phương đứng σ22 (tải trọng trục P=100KN, D=33cm)

37

2.6

Ứng suất theo phương đứng σ22 (tải trọng trục P=120KN, D=36cm)
Biến dạng theo phương ngang ɛ11 (tải trọng trục P=100KN,
D=33cm)
Biến dạng theo phương ngang ɛ11 (tải trọng trục P=120KN,
D=36cm)
Biến dạng theo phương phương đứng ɛ22 (tải trọng trục P=100KN,
D=33cm)
Biến dạng theo phương phương đứng ɛ22 (tải trọng trục P=120KN,

D=36cm)
Độ võng mặt đường tại tâm trục bánh xe w 22 (tải trọng trục
P=100KN, D=33cm)
Độ võng mặt đường tại tâm trục bánh xe w 22 (tải trọng trục
P=120KN, D=36cm)

38

3.1

Số liệu đầu vào các lớp kết cấu áo đường

54

3.2

Số liệu tính toán lớp móng kết cấu áo đường theo Kim [12]

54

3.3

Kết quả tính toán ứng suất

59

3.4

Kết quả tính toán biến dạng


59

3.5

Kết quả tính toán độ võng mặt đường tại tâm tác dụng tải trọng

60

3.6

Số liệu tính toán của vật liệu lớp móng theo Taciroglu [10]

60

3.7

Kết quả tính toán ứng suất theo phương ngang σ11

64

3.8

Kết quả tính toán ứng suất theo theo phương đứng σ22

65

3.9

Kết quả tính toán biến dạng theo phương ngang ɛ11


66

3.10

Kết quả tính toán biến dạng theo phương đứng ɛ22

67

3.11

Kết quả tính toán độ võng mặt đường w22 tại tâm trục bánh xe

68

2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12

40
41
44
45
47
47


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Số hiệu
hình
1.0
1.1

Tên hình
Thay đổi trạng thái ứng suất tại một điểm trong kết cấu áo đường mềm
dưới tác dụng của tải trọng động
Giới thiệu một số dạng kết cấu mặt đường mềm điển hình được sử
dụng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới [9]

Trang
1
5

1.2

Sơ đồ tác dụng của tải trọng bánh xe trên mặt đường

6

1.3

Hư hỏng mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy

7

1.4

Phá hoại mặt đường mềm dưới tác dụng của tải trọng


7

1.5

Ảnh hưởng của tải trọng bánh xe đến kết cấu áo đường

9

1.6

Sơ đồ thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm

12

1.7

Biến dạng của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng (Huang 1993) [9]

13

1.8

Thí nghiệm 3 trục và ứng xử đàn hồi của vật liệu cấp phối [10]

14

Mối quan hệ điển hình K và n cho các loại vật liệu cấp phối khác nhau
(Rada và Witczak, 1981) [12]
So sánh các kết quả thí nghiệm và dự đoán khi sử dụng mô hình K-θ

1.10
cho vật liệu cấp phối chặt (Uzan, 1985) [12]
So sánh các kết quả thí nghiệm và dự đoán kết cấu áo đường khi sử
1.11
dụng phương trình mô hình Uzan cho cốt liệu cấp phối (Uzan, 1985)
1.9

16
16
17

2.1

Phân bố ứng suất theo chiều sâu theo Boussinesq [4]

21

2.2

Hệ đàn hồi nhiều lớp trong điều kiện đối xứng trục [9]

22

2.3

(a) Các thành phần ứng suất và (b) toán đồ xác định ứng suất thẳng
đứng (sz) tại các vị trí khác nhau trong nền đất dưới tác dụng của tải
trọng đối xứng trục (Foster và Ahlvin, 1958) [9]

22


2.4

Ứng xử cơ học của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng đặc biệt [4]

24

2.5

Giao diện chính của phần mềm sau khi khởi động

25

2.6

Module tính toán ngược xác định môđun đàn hồi của các lớp vật liệu
dựa trên kết quả đo chảo lún mặt đường bằng thiết bị FWD

25

2.7

Mô hình tính toán kết cấu mặt đường theo lý thuyết đàn hồi lớp

25

2.8

Giao diện phần mềm Abauqs /CAE và Abaqus /Viewer


27

2.9

Kí hiệu hệ trục tọa độ và các thành phần ứng suất

28

2.10 Đánh số nút của phần tử ô vuông và lập phương

29


2.11 Đánh số nút của phần tử tam giác, tứ diện, nêm
2.12

Kết cấu áo đường tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi (Km16+629
đến Km16+680)

29
30

2.13 Tạo mô hình, xác định vật liệu, section cho trường hợp (a) và (b)

31

2.14 Xác định điều kiện biên và đặt tải cho trường hợp (a) và (b)

31


2.15 Chia lưới phần tử cho trường hợp (a) và (b)

31

2.16 Quan hệ ứng suất ngang σ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 10oC

32

2.17 Quan hệ ứng suất ngang σ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 30oC

32

2.18 Quan hệ ứng suất ngang σ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 60oC

32

2.19 Quan hệ ứng suất theo phương đứng σ22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 10oC

33

2.20 Quan hệ ứng suất theo phương đứng σ22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 30oC

36

2.21 Quan hệ ứng suất theo phương đứng σ22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 60oC

36

2.22 Quan hệ biến dạng phương ngang ɛ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 10oC


39

2.23 Quan hệ biến dạng phương ngang ɛ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 30oC

39

2.24 Quan hệ biến dạng phương ngang ɛ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 60oC

39

Quan hệ biến dạng theo phương đứng ɛ22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ
10oC
Quan hệ biến dạng theo phương đứng ɛ22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ
2.26
30oC
Quan hệ biến dạng theo phương đứng ɛ22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ
2.27
60oC
2.25

42
42
43

2.28 Quan hệ độ võng mặt đường w22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 10oC

46

2.29 Quan hệ độ võng mặt đường w22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 30oC


46

2.30 Quan hệ độ võng mặt đường w22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 60oC

46

3.1

Kỹ thuật tìm kiếm mô đun đàn hồi (Tutumluer, 1995) [12]

51

3.2

Sơ đồ khối dữ liệu của người sử dụng (Umat) [12]

52

3.3

Sơ đồ khối của chương trình (Umat) trong phân tích Abaqus

53

3.4

Kết cấu áo đường

53


3.5

Sơ đồ liên kết Abaqus, Intel Parallel Studio XE15 và Microsoft Visual
Studio 2012

54

3.6

Giao diện phần mềm Microsoft Visual Studio 2012

55


3.7

Khai báo tính chất vật liệu (User material)

55

3.8

Liên kết file User Subroutine để thực hiện tính toán.

55

3.9

Ứng suất theo phương ngang trường hợp tuyến tính và phi tuyến


56

3.10 Ứng suất theo phương đứng trường hợp tuyến tính và phi tuyến

56

3.11 Biến dạng theo phương ngang trường hợp tuyến tính và phi tuyến

56

3.12 Biến dạng theo phương đứng trường hợp tuyến tính và phi tuyến

56

3.13 Độ võng mặt đường trường hợp tuyến tính và phi tuyến

57

3.14 Biểu đồ quan hệ ứng suất σ với chiều sâu Z

57

3.15 Biểu đồ quan hệ biến dạng ɛ với chiều sâu Z

57

3.16 Biểu đồ quan hệ độ võng mặt đường w22 với chiều sâu Z

58


3.17 Quan hệ ứng suất ngang σ11 và chiều sâu Z

61

3.18 Quan hệ ứng suất theo phương đứng σ22 và chiều sâu Z

61

3.19 Quan hệ biến dạng theo phương ngang ɛ11 và chiều sâu Z

62

3.20 Quan hệ biến dạng theo phương đứng ɛ22 và chiều sâu Z

62

3.21 Quan hệ độ võng mặt đường w22 và chiều sâu Z

62


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Kết cấu áo đường là bộ phận đắt tiền nhất của đường ô tô. Ở nước ta, chi phí xây
dựng áo đường chiếm tới 45-65% (đối với các tuyến đường vùng đồng bằng và vùng
đồi), tới 30-45% (đối với các tuyến đường vùng núi) giá thành xây dựng đường ô tô.
Đồng thời áo đường cũng là bộ phận trực tiếp ảnh hưởng nhiều nhất đến điều kiện chạy
xe. Tiền bỏ ra sửa chữa mặt đường thường chiếm hầu hết kinh phí duy tu, bảo dưỡng

đường ô tô hàng năm với khối lượng vật liệu dùng để sửa chữa rất lớn. Do đó việc thiết
kế kết cấu áo đường đúng đắn là có ý nghĩa hết sức to lớn về mặt kinh tế, kĩ thuật [2].
Kết cấu mặt đường ô tô là hệ nhiều lớp, trong đó các lớp vật liệu có tính chất và
đặc trưng khác nhau, chịu ảnh hưởng nhiều của các yếu tố khí hậu thời tiết và tác dụng
của tải trọng xe chạy. Để có lời giải chính xác, đòi hỏi cần phải hiểu rõ tính chất của tải
trọng xe chạy tác dụng, đặc tính chịu tải (hay cơ chế làm việc dưới tác dụng của tải trọng
xe chạy) của nền đất và vật liệu làm kết cấu áo đường, cũng như phải biết được mối
quan hệ giữa cường độ và các trạng thái, các hình thức phá hoại của kết cấu áo đường
[2].
Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm Việt Nam hiện nay (22TCN 211-06) giả định
sử dụng mô hình lý thuyết đàn hồi nhiều lớp, trong đó vật liệu mặt và móng đường giả
định là đồng nhất và đẳng hướng, nền đất được xem là bán không gian đàn hồi tuyến
tính. Trị số mô đun đàn hồi đặc trưng cho vật liệu là không đổi theo trạng thái ứng suất,
giả thuyết này chỉ phù hợp trong trường hợp vật liệu có tính chất đàn hồi. Tuy nhiên,
đối với các lớp móng sử dụng chất liên kết hữu cơ hoặc lớp móng bằng vật liệu đất, đá
thiên nhiên không dùng chất liên kết, giả thuyết này không hoàn toàn chính xác và phù
hợp với các lý thuyết và phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường dựa trên mô hình cơ
học thực nghiệm hiện nay tại nhiều nước trên thế giới [3][9].

Hình 1. Thay đổi trạng thái ứng suất tại một điểm trong kết cấu áo đường mềm dưới
tác dụng của tải trọng động [13]


2

Với sự tăng trưởng không ngừng về số lượng cũng như chủng loại phương tiện
tham gia giao thông, cùng với các diễn biến phức tạp về điều kiện khí hậu do hiệu ứng
nhà kính tại Việt Nam trong những năm gần đây, đòi hỏi cần có những nghiên cứu, tiếp
cận mới về phương pháp tính toán, trong đó có việc xác định các thông số đầu vào khi
tính toán các đặc trưng về ứng suất và biến dạng trong các lớp vật liệu mặt đường (xem

Hình 1).
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các phương tiện tính toán bằng máy
tính đã cho phép giải quyết được nhiều bài toán phức tạp, đạt được độ chính xác khá
cao. Bắt nguồn từ phương pháp số truyền thống, dựa trên nền tảng toán học để mô hình
hoá các vấn đề thực tiễn, tiêu biểu là các phương pháp: sai phân hữu hạn, thể tích hữu
hạn, phần tử hữu hạn. Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là phương pháp
sử dụng phổ biến để giải quyết các bài toán cơ học. Hiện nay các phần mềm ứng dụng
FEM khá nhiều, có thể kể đến như SAP, RDM, ANSYS, ABAQUS,.. Trong đó, phần
mềm Abaqus được xây dựng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), là phần
mềm phân tích kết cấu được sử dụng tại nhiều nước trên thế giới. Tuy nhiên, tại Việt
Nam việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm này còn hạn chế, đặc biệt trong phân tích sự
làm việc của kết cấu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và tính chất phi
tuyến của vật liệu lớp móng và nền đất. Đề tài nghiên cứu của luận văn "Ứng dụng
Abaqus phân tích ứng suất-biến dạng trong kết cấu mặt đường mềm có xét đến tính
chất phi tuyến của vật liệu lớp móng" nhằm mục đích chính xác hoá việc tính toán xác
định ứng suất, biến dạng trong các lớp vật liệu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng
xe chạy.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu ứng xử cơ học kết cấu mặt đường mềm dưới tác dụng của tải trọng
xe chạy dựa trên phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng của các lớp vật liệu mặt đường
theo các mô hình và lời giải hệ kết cấu nhiều lớp.
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Ứng dụng phần mềm Abaqus phân tích ứng suất - biến dạng trong kết cấu áo
đường mềm dưới tác dụng của tải trọng xe chạy.
- Xác định trạng thái ứng suất, biến dạng trong các lớp vật liệu mặt đường trong
trường hợp vật liệu lớp móng không phải là vật liệu đàn hồi tuyến tính.
- So sánh, đánh giá kết quả tính toán ứng suất-biến dạng trong 2 trường hợp: Giả
thuyết vật liệu lớp móng là đàn hồi tuyến tính và trường hợp phi tuyến.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu
Ứng suất, biến dạng của các lớp kết cấu mặt đường mềm chịu tác dụng của tải
trọng xe chạy.


3

3.2. Phạm vi nghiên cứu
Mặt đường mềm có cấu tạo 2 lớp, trong đó lớp mặt là bê tông nhựa chặt thông
thường (một hoặc hai lớp) và lớp móng là vật liệu đá dăm không sử dụng chất liên kết.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích và tổng hợp lý thuyết tính toán kết cấu áo
đường, phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu;
- Phương pháp mô hình hoá: Sử dụng phần mềm Abaqus mô phỏng sự làm việc
của mặt đường mềm dưới tác dụng của tải trọng.
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài
Đề tài đã đưa ra các hạn chế của phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm
của Việt Nam hiện nay theo 22TCN-211-06 [1]. Đề xuất phương pháp tính toán kết cấu
áo đường theo phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Abaqus và xét đến
tính chất phi tuyến vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết được sử dụng trong lớp
móng của kết cấu áo đường, giúp cho các đơn vị thiết kế và thi công lựa chọn, đề xuất,
tính toán các lớp kết cấu áo đường phức tạp gồm nhiều lớp kết cấu và tính chất khác
nhau của vật liệu đầu vào của từng lớp. Ngoài ra, còn sử dụng để đối chứng, kiểm tra lại
kết quả tính toán theo các phương pháp thông thường, để tìm ra nguyên nhân và hạn chế
tối đa các hư hỏng của kết cấu áo đường.
6. Dự kiến nội dung của luận văn
Mở đầu
Chương 1. Ứng xử cơ học của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng
xe chạy
Chương 2. Phần mềm Abaqus và ứng dụng phân tích ứng xử cơ học kết cấu trong

kết cấu mặt đường mềm dưới tác dụng của tải trọng xe chạy
Chương 3. Ứng suất và biến dạng trong kết cấu áo đường mềm chịu tác dụng của
tải trọng xe chạy có xét đến tính chất phi tuyến của vật liệu lớp móng
Kết luận và kiến nghị


4

CHƯƠNG 1. ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM
DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY
1.1. YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO
ĐƯỜNG
1.1.1. Yêu cầu chung
Trong suốt thời hạn thiết kế áo đường phải có đủ cường độ và duy trì được cường
độ để hạn chế được tối đa các trường hợp phá hoại của xe cộ và của các yếu tố môi
trường tự nhiên (sự thay đổi thời tiết, khí hậu; sự xâm nhập của các nguồn ẩm…). Cụ
thể là hạn chế được các hiện tượng tích lũy biến dạng dẫn đến tạo vệt hằn bánh xe trên
mặt đường, hạn chế phát sinh hiện tượng nứt nẻ, hạn chế bào mòn và bong tróc bề mặt,
hạn chế được các nguồn ẩm xâm nhập vào các lớp kết cấu và phần trên của nền đường
trong phạm vi khu vực tác dụng, hoặc phải đảm bảo lượng nước xâm nhập vào được
thoát ra một cách nhanh nhất.
Bề mặt kết cấu áo đường mềm phải đảm bảo bằng phẳng, đủ nhám, dễ thoát
nước mặt và ít gây bụi để đáp ứng yêu cầu giao thông an toàn, êm thuận, kinh tế, giảm
thiểu tác động xấu đến môi trường hai bên đường. Tuỳ theo quy mô giao thông và tốc
độ xe chạy cần thiết, tuỳ theo ý nghĩa và cấp hạng kỹ thuật của đường, kết cấu áo đường
thiết kế cần thoả mãn hai yêu cầu cơ bản nêu trên ở những mức độ tương ứng khác
nhau. Về cường độ, mức độ yêu cầu khác nhau được thể hiện trong thiết kế thông qua
mức độ dự trữ cường độ khác nhau. Mức độ dự trữ cường độ càng cao thì khả năng
bảo đảm kết cấu áo đường mềm làm việc ở trạng thái đàn hồi khiến cho chất lượng sử
dụng trong khai thác vận doanh sẽ càng cao, thời hạn sử dụng càng lâu bền và chi phí

cho duy tu, sửa chữa định kỳ càng giảm. Chất lượng bề mặt áo đường mềm càng tốt thì
chi phí vận doanh sẽ càng giảm và thời hạn định kỳ sửa chữa vừa trong quá trình khai
thác sẽ được tăng lên.
1.1.2. Cấu tạo kết cấu áo đường
Kết cấu áo đường mềm gồm nhiều lớp vật liệu phù hợp với chức năng làm việc
của mỗi lớp bao gồm: Lớp mặt bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có xử lý nhựa
như bê tông nhựa, đá dăm trộn nhựa, thấm nhập nhựa, láng nhựa, cấp phối đá dăm, cấp
phối cuội sỏi gia cố hoặc không gia cố bi tum, xi măng, vôi, các phế phẩm công nghiệp
như xỉ lò cao, xỉ than v.v…; lớp nền đất đáy móng áo đường.
Quá trình thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường cần lưu ý tuân thủ theo nguyên tắc
thiết kế tổng thể nền áo đường, tức là trong mọi trường hợp phải chú trọng các biện
pháp nâng cao cường độ và sự ổn định cường độ của khu vực tác dụng của nền đường,
tạo điều kiện cho nền đất tham gia chịu lực cùng với áo đường đến mức tối đa, từ đó
giảm được bề dày áo đường và hạ giá thành xây dựng. Đồng thời, còn phải sử dụng các
biện pháp tổng hợp khác nhau (biện pháp sử dụng vật liệu và tổ hợp các thành phần vật
liệu, biện pháp thoát nước cho các lớp có khả năng bị nước xâm nhập) để hạn chế tác


5

dụng của các nguồn ẩm và nhiệt đến cường độ và độ bền của mỗi tầng, lớp trong kết
cấu áo đường, đặc biệt là biện pháp hạn chế các hiện tượng phá hoại bề mặt đối với lớp
mặt trên cùng do xe chạy gây ra.
Hình 1.1. Giới thiệu một số dạng kết cấu mặt đường mềm điển hình được sử
dụng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới [9].

Lớp bê tông nhựa
đệm

a) Kết cấu truyền thống


b) Kết cấu cường độ cao

c) Kết cấu chỉ sử dụng nhựa

d) Kết cấu sử dụng ATB e) Kết cấu sử dụng CTB
f) Kết cấu ngược
Hình 1.1. Giới thiệu một số dạng kết cấu mặt đường mềm điển hình được sử
dụng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới [9]
1.2. ĐẶC ĐIỂM TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY LÊN MẶT ĐƯỜNG
VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA
NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG
1.2.1. Tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường mềm
Tác dụng của tải trọng xe chạy lên kết cấu nền mặt đường thông qua tiếp xúc
giữa bánh xe với mặt đường (xem Hình 1.2). Tải trọng tác dụng lên mặt đường là tải
trọng động, tức thời và có tính chất trùng phục. Độ lớn của tải trọng tác dụng lên mặt
đường phụ thuộc vào tải trọng trục xe, diện tích tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường,
cấu tạo hình dạng và kích thước lốp xe.


6

Hình 1.2. Sơ đồ tác dụng của tải trọng bánh xe trên mặt đường [4]
1.2.1.1. Áp lực tính toán
Áp lực đơn vị trên mặt tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường có quan hệ với tải
trọng bánh xe, độ cứng của lốp và áp lực không khí trong bánh xe (thường dao động
trong khoảng từ 0,4 - 0,7MPa). Do độ cứng của lốp không đồng nhất nên phân bố áp lực
của bánh xe trên mặt tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường không đều và cũng không
hoàn toàn bằng áp lực hơi trong bánh xe. Để đơn giản, khi thiết kế mặt đường thường
xem áp lực hơi trong bánh xe là áp lực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường. Tiêu chuẩn

thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06 [1] quy định áp lực tính toán dưới tác dụng của
tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn là 0,6MPa.
1.2.1.2. Tải trọng trục tính toán
Tải trọng tiêu chuẩn trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường giữa các nước
không hoàn toàn như nhau. Đại bộ phận các nước quy định tải trọng trục tiêu chuẩn tính
toán là 100kN, cũng có nước quy định tải trọng tính toán là 130kN (Pháp). Anh và Mỹ
sử dụng tải trọng tính toán là 80kN (18kips). Quy trình Trung Quốc chọn nhóm trục đơn
hai bánh 60kN và 100kN (xe BZZ60 và BZZ100) làm tải trọng trục tiêu chuẩn. Tiêu
chuẩn thiết kế áo đường mềm của nước ta hiện nay sử dụng tải trọng trục thiết kế tiêu
chuẩn 100kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, đường ô tô các
cấp trên mạng lưới chung, đường đô thị cấp khu vực trở xuống; 120kN đối với đường
trục chính đô thị, một số đường cao tốc, đường có nhiều xe nặng lưu thông.
1.2.2. Ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến cơ chế làm việc của nền đất và vật liệu
áo đường
Dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, trong các lớp kết cấu áo đường và nền đất
phát sinh ứng suất và biến dạng. Trị số ứng suất và biến dạng phụ thuộc vào tính chất,
cường độ của các lớp vật liệu mặt đường và nền đất (đặc trưng bởi trị số mô đun đàn hồi
của vật liệu, hệ số Poisson ν), đặc điểm tác dụng của tải trọng như thời gian lặp lại (cấu
hình cụm trục, tần số hay thời gian tác dụng của tải trọng, liên quan đến tốc độ xe chạy),
độ lớn của tải trọng. Thời gian tác dụng của tải trọng càng lâu (tần số tác dụng của tải
trọng càng lớn hay tốc độ xe chạy càng chậm), áp lực của tải trọng trên mặt đường càng
lớn, ứng suất và biến dạng trong các lớp vật liệu mặt đường càng lớn.
Ngoài ra, do đất và các lớp vật liệu mặt đường có tính đàn hồi nhớt hoặc đàn hồi


7

nhớt-dẻo nên dưới tác dụng của tải trọng động, trùng phục sẽ làm cho kết cấu mặt đường
và các lớp vật liệu phát sinh hiện tượng mỏi và tích luỹ biến dạng dư.
Hình 1.3 minh hoạ hai dạng hư hỏng điển hình của mặt đường nhựa dưới tác dụng

của tải trọng xe chạy: (1) nứt mỏi trong lớp mặt bê tông nhựa, (2) biến dạng không phục
hồi tại vị trí tác dụng lặp lại của tải trọng bánh xe (lún vệt bánh xe).

b) Lún vệt bánh xe
a) Nứt mỏi
Hình 1.3. Hư hỏng mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy
1.2.3. Hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm và nguyên lý tính toán cường độ
áo đường mềm theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06
Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe, mặt tiếp xúc của bánh xe với lớp mặt của
kết cấu áo đường sẽ bị nén, xung quanh phạm vi tiếp xúc phát sinh ứng suất cắt. Trên
mặt đường cong xung quanh chỗ tiếp xúc các đường nứt hướng tâm, vật liệu thường bị
đẩy trồi lên và bị nứt vỡ trên bề mặt. Tại vị trí đáy kết cấu áo đường, bên dưới bánh xe
sẽ bị nứt do ứng xuất kéo (Hình 1.4).

a) Theo phương ngang
b) Theo phương dọc
Hình 1.4. Phá hoại mặt đường mềm dưới tác dụng của tải trọng
Để đảm bảo không xảy ra các hiện tượng phá hoại trong kết cấu mặt đường dưới
tác dụng của tải trọng xe chạy, tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm Việt Nam [1] quy định
các điều kiện về cường độ cần thoả mãn đối với kết cấu áo đường mềm như sau:
- Điều kiện về biến dạng (lún): Độ võng đàn hồi (hay biến dạng thẳng đứng) của
nền mặt đường dưới tác dụng tải trọng xe chạy tính toán phải nhỏ hơn trị số biến dạng
(lún) thẳng đứng cho phép.
(1.1)
K dh .Ldh  Lgh
Trong đó:
Lđh - độ võng đàn hồi (biến dạng thẳng đứng) của cả kết cấu áo đường hoặc của


8


nền đất dưới tác dụng của tải trọng xe chạy tính toán.
Lgh - độ võng đàn hồi (biến dạng thẳng đứng) cho phép.
Ktr - hệ số dự trữ cường độ về độ võng.
- Điều kiện về nứt mỏi (kéo uốn): Ứng suất kéo uốn (hay biến dạng theo phương
ngang) ở đáy lớp bê tông nhựa hoặc lớp vật liệu toàn khối dưới tác dụng của tải trọng
xe chạy tính toán phải nhỏ hơn trị số ứng suất kéo uốn (hay biến dạng) cho phép của vật
liệu.
Rku . ku  Rku
(1.2)
Trong đó:
Kku - hệ số dự trữ cường độ về trạng thái kéo uốn.
σku - ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy bê tông nhựa hoặc lớp vật liệu
toàn khối do tải trọng gây ra.
Rku - ứng suất kéo uốn giới hạn (cho phép) của vật liệu.
- Điều kiện trượt giữa các lớp vật liệu: Ứng suất gây trượt tại mọi điểm trong nền
đất và các lớp vật liệu rời rạc do tải trọng xe chạy và các lớp vật liệu nằm trên lớp vật
liệu tính toán gây ra phải nhỏ hơn ứng suất cắt giới hạn.
(1.3)
K tr .   cp
Trong đó:
𝜏 - ứng suất cắt tại mọi điểm trong nền đất dưới kết cấu áo đường và trong kết
cấu áo đường do tải trọng xe chạy và các lớp vật liệu nằm trên lớp vật liệu tính toán gây
ra.
𝜏cp - ứng suất cắt giới hạn của lớp vật liệu tính toán.
Ktr - hệ số dự trữ cường độ về trạng thái giới hạn trượt.
Để đảm bảo điều kiện làm việc của kết cấu áo đường không phát sinh hiện tượng
nứt và tích luỹ biến dạng dư quá lớn, tiêu chuẩn thiết kế áo đường của một số nước
(Viện Asphalt, tiêu chuẩn thiết kế mặt đường của Pháp NF P98-086, AUSTROADS,
Phương pháp cơ học thực nghiệm MPEDG) quy định trị số biến dạng giới hạn tại đáy

lớp mặt bê tông nhựa (điều kiện nứt mỏi) và biến dạng thẳng đứng (biến dạng không
phục hồi) tại bề mặt móng nền đất như Hình 1.5.

Hình 1.5. Ảnh hưởng của tải trọng bánh xe đến kết cấu áo đường


9

Nhận xét:
Phương pháp thiết kế áo đường mềm theo 22TCN 211-06 [1] đang được sử dụng
để thiết kế cấu tạo và tính toán chiều dày các lớp trong kết cấu mặt đường tại Việt Nam
là phương pháp thiết kế dựa trên cơ sở lý thuyết xem các lớp mặt đường là hệ đàn hồi
nhiều lớp, quá trình thiết kế tính toán được đơn giản hoá thông qua việc sử dụng các
bảng và biểu đồ được lập sẵn, không yêu cầu các thiết bị và phần mềm tính toán phức
tạp nên dễ dàng cho người sử dụng. Tuy nhiên với sự tăng trưởng nhanh về lưu lượng
và thành phần tải trọng xe trong những năm gần đây, phương pháp này bộc lộ nhiều
hạn chế:
- Chọn thông số tính toán của vật liệu: các đơn vị tư vấn thiết kế không làm thí
nghiệm kiểm tra mà sử dụng trực tiếp các thông số tính toán đặc trưng của vật liệu mặt
đường (E, c, ) trong tiêu chuẩn là không phù hợp với thực tế, chưa phản ánh được đặc
trưng làm việc thực tế của vật liệu (trạng thái ứng suất dưới tác dụng của tải trọng xe
chạy, chế độ thuỷ nhiệt). Việc xác định các thông số này, đòi hỏi cần được thực hiện
trên các mô hình và thiết bị mô phỏng đúng với điều kiện làm việc thực tế của vật liệu.
- Lý thuyết tính toán: sử dụng lý thuyết bán không gian đàn hồi tuyến tính, trong
đó các lớp mặt đường là hệ đàn hồi đặt trên bán không gian vô hạn đàn hồi. Tuy nhiên
thực tế vật liệu kết cấu áo đường và nền đất không phải là vật liệu đàn hồi đồng nhất,
đẳng hướng mà là vật liệu đàn hồi-dẻo-nhớt. Do đó kết quả tính toán chỉ là gần đúng
với sự làm việc thực tế của kết cấu áo đường.
- Các toán đồ được lập với hệ hai lớp, nếu hệ có nhiều hơn hai lớp thì phải dùng
công thức tính đổi lớp trên nguyên tắc độ cứng tương đương, việc tính đổi và hệ số β

thêm vào chỉ là gần đúng. Một số quy trình (Trung Quốc, Liên Xô) đã có kết quả giải
hệ đàn hồi ba lớp, việc tính đổi sẽ chính xác hơn. Mặt khác, với sự phát triển của máy
tính điện tử thì việc giải chính xác bài toán hệ đàn hồi nhiều lớp không là vấn đề quá
khó khăn.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM
Theo Huang [9], có thể chia phương pháp thiết kế mặt đường mềm thành 05
nhóm:
- Phương pháp thực nghiệm có hoặc không xét đến sức chống cắt của nền đất;
- Phương pháp dựa trên phá hoại giới hạn cắt;
- Phương pháp độ võng giới hạn;
- Phương pháp hồi quy dựa trên đặc trưng cường độ mặt đường hoặc thí nghiệm
trên các tuyến đường thực tế;
- Phương pháp cơ học - thực nghiệm.
1.3.1. Phương pháp thực nghiệm (Empirical Method)
Phương pháp thực nghiệm không cần kiểm tra cường độ của nền đất được hình
thành dựa trên hệ thống phân loại đất trong xây dựng đường giao thông (Hogentogler
and Terzaghi, 1929), trong đó lớp móng được phân loại là đồng nhất từ A-1 đến A-8


10

và không đồng nhất từ B-1 đến B-3. Hệ thống phân loại đất này sau đó đã được sửa đổi
bởi Ủy ban Nghiên cứu Đường cao tốc (HRB, 1945), trong đó đất được nhóm từ A-1
đến A-7 và bổ sung chỉ số nhóm (GI) để phân biệt mỗi nhóm. Steele (1945) đã áp dụng
phân loại đất theo HRB và chỉ số nhóm để ước tính chiều dày của lớp móng dưới và
toàn bộ kết cấu mặt đường mà không cần kiểm tra cường độ.
Phương pháp thực nghiệm có thí nghiệm xác định sức chống cắt của nền đất lần
đầu tiên được sử dụng tại bang California (Hoa Kỳ) vào năm 1929, trong đó chiều dày
của kết cấu mặt đường được xác định dựa trên hệ số sức chịu tải CBR. Phương pháp
thiết kế dựa trên sức chịu tải CBR được Quân đội Hoa Kỳ nghiên cứu sử dụng trong

chiến tranh thế giới thứ II và trở thành một phương pháp được sử dụng rất phổ biến sau
chiến tranh.
Nhược điểm của phương pháp thực nghiệm là chỉ có thể áp dụng cho một điều
kiện nhất định về môi trường, vật liệu và tải trọng. Nếu các điều kiện này bị thay đổi,
thiết kế không còn phù hợp.
1.3.2. Phương pháp dựa trên phá hoại cắt giới hạn (Limiting Shear Failure
Method)
Phương pháp được sử dụng để xác định chiều dày kết cấu để đảm bảo không
xảy ra phá hoại cắt trong kết cấu mặt đường. Các đặc trưng chính của các lớp vật liệu
và đất nền được xem xét là lực dính c và góc ma sát trong φ. Barber (1946) đã áp dụng
công thức sức chịu tải của Terzaghi để xác định chiều dày kết cấu mặt đường. Yoder
(1959) xuất bản tài liệu “Principles of Pavement Design" giới thiệu về phương pháp
thiết kế này, tuy nhiên sau đó phương pháp không được phát triển. Nguyên nhân do tốc
độ và lưu lượng giao thông ngày càng tăng nhanh nên kết cấu mặt đường cần được thiết
kế sao cho đáp ứng các yêu cầu tiện nghi, êm thuận hơn là chỉ để tránh phá hoại.
1.3.3. Phương pháp độ võng giới hạn (Limiting Deflection Method)
Phương pháp thiết kế dựa trên độ võng giới hạn được sử dụng để xác định chiều
dày của kết cấu áo đường sao cho độ võng (biến dạng) của kết cấu áo đường không
vượt quá giới hạn cho phép. Ủy ban đường cao tốc của tiểu bang Kansas, Hoa Kỳ
(1947) đã điều chỉnh phương trình Boussinesq (1885) và giới hạn trị số độ võng của
đất nền là 2.54mm (0.1 inch). Sau đó Hải quân Hoa Kỳ (U.S. Navy, 1953) áp dụng lý
thuyết đàn hồi 2 lớp của Burmister (1943) và đề xuất giới hạn độ võng ở bề mặt kết
cấu áo đường xuống còn 6,35 mm (0,25 inch). Việc sử dụng độ võng như một điều
kiện thiết kế có ưu điểm là có thể dễ dàng đo đạc được tại hiện trường. Tuy nhiên, điều
này không hoàn toàn phản ánh đúng thực tế vì áo đường hư hỏng là do ứng suất và biến
dạng vượt quá trị số cho phép thay vì độ võng.
1.3.4. Phương pháp hồi quy dựa trên đặc trưng cường độ mặt đường hoặc thí
nghiệm trên các tuyến đường thực tế
Đây là phương pháp thiết kế được xây dựng thông qua các phương trình hồi quy
dựa trên đặc trưng cường độ của mặt đường hay thông qua các thí nghiệm trên các mặt



11

đường thực tế. Một trong các phương pháp sử dụng phương trình hồi quy để thiết kế
mặt đường là phương pháp thực nghiệm AASHTO, dựa trên kết quả thực nghiệm trên
đường. Nhược điểm lớn của phương pháp là các phương trình thiết kế chỉ có thể được
áp dụng cho các tuyến đường cùng nằm trong khu vực có điều kiện tương tự với các
tuyến thử nghiệm. Đối với các điều kiện khác, các phương trình thiết kế được xây dựng
cần có các sửa đổi cho phù hợp dựa trên lý thuyết hoặc kinh nghiệm. Phương trình hồi
quy cũng có thể được phát triển từ việc khai thác của các áo đường hiện tại.
Không giống như mặt đường của các tuyến đường thử nghiệm, các vật liệu và
quá trình thi công xây dựng các lớp mặt đường thực tế thường không được kiểm soát
tốt, do đó sẽ có nhiều sai khác so với mặt đường chuẩn áp dụng trong thử nghiệm. Vì
vậy, mặc dù các phương trình này có thể minh họa ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau
đến đặc trưng cường độ của kết cấu áo đường, nhưng khả năng áp dụng trong thiết kế
cũng bị hạn chế do nhiều yếu tố không phù hợp vẫn được đưa vào tính toán nên kết
quả không đảm bảo độ tin cậy cao.
1.3.5. Phương pháp cơ học - thực nghiệm (Mechanistic-Empirical Method)
Nguyên lý tính toán cường độ áo đường mềm theo mô hình cơ học - thực nghiệm
được dựa trên trạng thái ứng suất, biến dạng trong các lớp vật liệu của kết cấu áo đường
được xác định bằng mô hình cơ học thông qua lời giải hệ đàn hồi nhiều lớp, sau đó so
sánh với trị số giới hạn (ứng suất và biến dạng cho phép) được xác định dựa trên các
mô hình thực nghiệm trên cơ sở các hư hỏng mặt đường (nứt mỏi, hằn lún, độ bằng
phẳng) dưới tác dụng của tải trọng xe chạy.
Theo phương pháp này, số liệu đầu vào là yếu tố cơ học của vật liệu, có liên
quan đến tải trọng xe chạy, yếu tố khí hậu thời tiêt và số liệu đầu ra là ứng suất, biến
dạng (xem Hình 1.6). Kerkhoven và Dormon (1953) đầu tiên đề xuất sử dụng trị số
biến dạng nén thẳng đứng (vertical compressive strain) trên bề mặt của móng nền đất
(subgrade) như là điều kiện giới hạn nhằm hạn chế biến dạng dư của kết cấu mặt đường.

Saal và Pell (1960) đề nghị sử dụng biến dạng kéo theo phương ngang (horizontal
tensile strain) ở đáy của lớp bê tông nhựa để hạn chế hiện tượng nứt mỏi. Hai điều kiện
này đã được chấp nhận bởi tập đoàn Shell và Viện Asphalt sử dụng trong các phương
pháp thiết kế cơ học-thực nghiệm. Ưu điểm của phương pháp cơ học là cải thiện độ tin
cậy của thiết kế, có khả năng miêu tả, dự đoán các dạng hư hỏng, đồng thời có thể
ngoại suy khi các dữ liệu thí nghiệm hiện trường và trong phòng thí nghiệm bị hạn chế.

Hình 1.6. Sơ đồ thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm


12

1.4. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU LỚP MÓNG TRONG KẾT CẤU
ÁO ĐƯỜNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết
Vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết thường được sử dụng trong lớp nền,
móng của kết cấu áo đường mềm. Vật liệu cấp phối bao gồm cốt liệu, không khí và
nước. Đặc tính của các loại vật liệu này liên quan đến ứng xử của các yếu tố cấu thành
và sự tương tác giữa chúng. Khi vật liệu cấp phối chịu tác dụng của tải trọng sẽ bị biến
dạng, nén chặt và hao mòn xảy ra. Vì vậy, ứng xử của các hạt cốt liệu phải được nghiên
cứu để mô tả đúng ứng xử cơ học của vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết. Thực
tế hiện nay, ứng xử của vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết được coi là liên tục.
Tuy nhiên, nó bị ảnh hưởng bởi lịch sử gia tải, mật độ, độ rỗng, hàm lượng nước,... nên
rất khó để phát triển một mô hình toán học thích hợp bao gồm tất cả các yếu tố trong
khuôn khổ cơ học liên tục.
1.4.2. Khái niệm cơ học thiết kế móng kết cấu áo đường
Phương pháp thiết kế và phân tích kết cấu áo đường hiện tại thường tuân theo
một số quy trình thực nghiệm được phát triển thông qua các cuộc điều tra từ kết cấu áo
đường cụ thể với điều kiện hạn chế. Các phương pháp này đưa ra một cách tiếp cận kỹ
hơn về đặc tính cường độ của vật liệu, địa chất nền móng trong kết cấu áo đường mềm.

Ngoài ra, phương pháp thực nghiệm bị hạn chế cho những thay đổi về tải trọng và điều
kiện môi trường. Hạn chế chính của phương pháp thực nghiệm là chúng không thể
ngoại suy một cách chính xác ngoài những điều kiện ban đầu. Nhu cầu thiết yếu cho
các quy trình thiết kế mặt đường để tính toán đúng các trường hợp khác nhau đã dẫn
đến những nỗ lực nghiên cứu để phát triển khái niệm thiết kế và phân tích cơ học. Một
khía cạnh chính là tính chất của vật liệu kết cấu áo đường để dự đoán ứng xử chính xác
hơn.
Trong phương pháp cơ học, kết cấu áo đường được coi như một kết cấu phân
lớp và các thành phần của kết cấu này phải được mô tả đúng với tính chất vật liệu của
từng lớp. Đối với phân tích cơ học, ứng xử đàn hồi vật liệu được đặc trưng bằng các
mô hình toán học. Hơn nữa, các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm phải được tiến
hành để nghiên cứu ứng xử cơ học trong các điều kiện tương tự như tải trọng, điều kiện
môi trường… để dự kiến áp dụng cho kết cấu áo đường. Dữ liệu phòng thí nghiệm phải
được kiểm tra để phát triển các mô hình có thể dự đoán được ứng xử của vật liệu. Một
số mô hình vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết đã được phát triển để thiết kế
và đánh giá mặt đường. Những mô hình này liên quan đến các thí nghiệm tải lặp lại và
xem xét ứng xử vật liệu phụ thuộc vào ứng suất phi tuyến (Brown và Pappin, 1981;
Thompson và Elliot, 1985; Taciroglu, 1998; Schwartz, 2002) [12].
1.4.2.1. Ứng xử đàn hồi
Trong thí nghiệm mô đun đàn hồi, cả biến dạng đàn hồi và biến dạng dư xảy ra
phụ thuộc vào tình trạng ban đầu của tải trọng được áp dụng như Hình 1.7 sau. Tuy